利用 Arduino Nano R3 自制全功能 CNC 雕刻机

项目概述

本项目将指导你利用废弃光驱（CD-ROM）的滑轨和步进电机，结合 Arduino Nano R3 与 A4988 步进电机驱动板，构建一台可运行 G 代码的三轴 CNC 雕刻机。项目成本低廉，适合电子爱好者入门数控加工，同时深入理解步进电机控制、G 代码解析及机械结构设计。

所需材料

• Arduino Nano R3 × 1
• A4988 步进电机驱动板（SparkFun 或同款）× 3
• 废弃光驱（CD-ROM）× 3（拆取滑轨、步进电机、激光头组件）
• 跳线若干
• OpenBuilds 铝合金间隔柱 × 1套（用于固定滑轨）
• DC 电源插座（公头）× 1
• 12V/2A 以上开关电源 × 1（驱动步进电机）
• 螺丝、螺母、绝缘胶带、热熔胶等辅助材料

所需软件

• XLoader（用于烧录 GRBL 固件）
• Universal G-Code Sender（UGS，用于发送 G 代码控制机器）
• Inkscape（矢量绘图，配合插件生成 G 代码）
• MakerCAM 或 LaserWeb（在线 CAM 工具，生成加工路径）

制作步骤

1. 机械结构组装

将三个光驱的滑轨互相垂直安装，分别对应 X、Y、Z 三轴：

• X 轴：底座滑轨，承载 Y 轴组件
• Y 轴：横向滑轨，承载 Z 轴组件
• Z 轴：垂直滑轨，安装雕刻刀/激光头

使用铝合金间隔柱和螺丝固定，确保各轴运动平滑、垂直度良好。参考下图组装示意：

2. 电路连接

按下图连接三块 A4988 驱动板、步进电机与 Arduino Nano：

• 每个驱动板的 VDD 接 5V，GND 共地
• 步进电机四相线接驱动板 1A、1B、2A、2B
• 驱动板 STEP、DIR 引脚分别接 Arduino D2~D7（X: D2/D5, Y: D3/D6, Z: D4/D7）
• 驱动板 ENABLE 引脚共接 D8（低电平使能）
• 电机电源（VMOT）接 12V 电源，务必在 VMOT 与 GND 间并联 100μF 电解电容防尖峰

3. 烧录 GRBL 固件

下载预编译的 GRBL HEX 文件：GRBL v1.1 for Arduino Nano

使用 XLoader 烧录：

1. 选择设备：Arduino Nano (ATmega328P)
2. 波特率：115200
3. 选择下载的 .hex 文件
4. 点击 Upload 烧录

4. 配置 GRBL 参数

打开 Universal G-Code Sender，连接 Arduino（波特率 115200）。进入 Settings → Firmware Settings → GRBL，根据实际机械参数设置每毫米步数（$100, $101, $102）：

• X 轴：约 80 步/mm（视光驱丝杠导程而定）
• Y 轴：约 80 步/mm
• Z 轴：约 160 步/mm（导程较小）

其他关键参数：$110/$111/$112 最大速率，$120/$121/$122 加速度。首次使用建议保守设置，后续微调。

5. 生成并发送 G 代码

1. 在 Inkscape 中绘制或导入矢量图形
2. 使用 Gcodetools 插件或 MakerCAM 生成 G 代码
3. 在 UGS 中打开 .ngc 文件，点击 Send 开始加工

机器即可开始自动雕刻/绘图。首次运行建议空跑验证行程无干涉。

6. 进阶测试

挑战复杂图案可访问项目主页获取测试文件：Neural Networks 26 Facebook 页面

原理图

注意事项与避坑指南

• 电流调节：A4988 驱动板需调节电位器设定电流限制（VREF = 额定电流 × 8 × Rsense），防止电机过热或失步。
• 供电分离：电机电源（12V）与 Arduino 逻辑电源（5V）必须共地但分路供电，避免干扰复位。
• 限位开关：建议为三轴加装机械/光电限位开关，接入 Arduino D9/D10/D11，配置 GRBL 硬限位（$21=1）保护机械。
• 散热：长时间运行需在驱动板加装散热片并加风扇强制风冷。
• 丝杠导程校准：实测电机转一圈滑块移动距离，计算精确步数/mm，消除累积误差。

扩展建议

• 升级为 Arduino Uno + CNC Shield v3，接线更规范
• 更换 42 步进电机 + T8 丝杠，提升刚性与精度
• 加装主轴电机（775/550 电机 + ER11 夹头）实现真正铣削
• 使用 LaserGRBL 固件改装为激光雕刻机